1. Общие сведения. Характеристики.

Назначение предохранителей состоит в отключении потребителя от источника электрической энергии при протекании через него тока выше допустимого. Наибольшее распространение получили плавкие предохранители, защищающие установки от токов короткого замыкания. Их основной элемент представляет собой плавкую вставку, как правило, из цинка или луженой меди, которая перегорает при протекании большого тока, в результате чего цепь разрывается. Плавкая вставка выполняется в виде проволоки (рис. 1) или плоской фигурной полоски (рис. 2).

Она помещается внутрь изоляционной трубки (стеклянной, фарфоровой, фибровой и др.). Внешний вид предохранителя с плавкой вставкой, широко применяемого в бытовой аппаратуре, показан на рисунке 1. Такая конструкция обеспечивает не только электрическую, но и пожарную безопасность, поскольку предотвращает возможность возгорания окружающих предметов при перегорании плавкой вставки. В предохранителях, рассчитанных на большие токи, пространство внутри трубки засыпают сухим кварцевым песком и мелом, что способствует быстрому охлаждению и гашению дуги.

Для предохранителей можно построить защитную характеристику – зависимость времени срабатывания предохранителя от силы протекающего через него тока (рис. 3). Минимальный ток срабатывания называется пограничным током. Номинальным током предохранителя I_н называется максимальный ток, при котором предохранитель может работать, не перегорая в течение длительного времени (несколько лет).

2. Проверка исправности и замена предохранителей

После перегорания плавкой вставки предохранитель не выполняет своих функций и требует замены. Заменять можно как предохранитель целиком, так и его вставку. Обычно предохранители, рассчитанные на большие токи, предусматривают возможность замены плавкой вставки, а предохранители на малые токи заменяют целиком. Для самостоятельной замены проволоки внутри предохранителя надо провести ее калибровку. Для этого удобнее всего воспользоваться выпрямителем В-24. Берут небольшой отрезок проволоки, очищают его концы от окислов (для изготовления плавких вставок предохранителей целесообразно использовать залуженные проводники) и помещают между выводами "+" и "-" выпрямителя. Перед включением выпрямителя ручка регулятора его напряжения должна быть повернута до отказа против часовой стрелки.

Постепенно и очень медленно увеличивая подаваемое напряжение, наблюдают за проволокой и показаниями амперметра, встроенного в корпус выпрямителя. Замечают, при какой силе тока проволока перегорает. Таким образом приблизительно определяют пограничный ток. Точно такую же проволоку можно использовать в качестве плавкой вставки предохранителя на номинальный ток чуть меньше пограничного.

После того, как изготовлена новая вставка в предохранитель, необходимо проверить его исправность. Для этого с помощью омметра определяют его сопротивление. Сопротивление исправного предохранителя должно быть близко к нулю.

При большом числе предохранителей в электронном устройстве можно установить индикаторы перегорания предохранителей. Схема простого индикатора перегорания предохранителя приведена на рисунке 4. Этот индикатор может работать в цепях как постоянного, так и переменного тока. В нормальном режиме напряжение на предохранителе очень мало и светодиод HL не горит. При сгорании предохранителя ток нагрузки начинает протекать через светодиод, который загорается, сигнализируя о перегорании предохранителя. Резистор R1 служит для ограничения тока, протекающего через светодиод. Его сопротивление рассчитывают, исходя из того, что при номинальной нагрузке через светодиод целесообразно пропускать ток 5-10 мА, а в режиме короткого замыкания нагрузки он не должен превышать максимально допустимый.

3. Автоматические выключатели

Неудобство плавких предохранителей состоит в том, что после каждой аварийной ситуации необходимо заменять плавкую вставку или сам предохранитель. Поэтому для защиты от короткого замыкания и токов перегрузки часто применяют автоматические выключатели, которые можно привести в рабочее состояние без замены каких-либо деталей.

Рассмотрим принцип работы автоматической пробки, широко применяемой в быту. Она включает в себя электротермический и электромагнитный предохранители. На рисунке 5 приведена схема, поясняющая принцип ее работы. В рабочем состоянии электрический ток протекает по цепи: фазный провод ф, неподвижные 9 и подвижные 8 контакты (замкнутые между собой), биметаллическая пластина 1, гибкий проводник 3, обмотка электромагнита 5, электрические лампочки, нулевой провод 0 питающей сети. Если в течение нескольких десятков секунд сила тока, протекающего в цепи, превышает максимально допустимое значение, то биметаллическая пластина 1, изгибаясь влево, освобождает левый конец рычага 2, удерживающего изолирующий толкатель 7 с подвижными контактами 8. В результате контакты 8 и 9 размыкаются и ток в цепи прекращается. При коротком замыкании цепи происходит практически мгновенное отключение нагрузки за счет того, что якорь 4, притягиваясь к сердечнику электромагнита 5, освобождает правый конец рычага 2. Для возвращения пробки в исходное рабочее состояние  необходимо с помощью кнопки (на рисунке кнопка не показана) рычаг с толкателем опустить вниз так, чтобы он был захвачен защелками биметаллической пластины и якоря электромагнита и сжал пружину 6.

В последнее время для низковольтных цепей постоянного тока применяют электронные предохранители. Схема одного из вариантов электронного предохранителя приведена на рисунке 6а. При нормальном режиме работы открыт транзистор VT2 за счет протекания тока базы по цепи: плюс источника питания, резистор R1, база-эмиттер транзистора VT2, минус источника. При увеличении тока увеличивается напряжение между коллектором и эмиттером транзистора VT2 и при напряжении примерно 0,5 В начинает открываться транзистор VT1. Открытие транзистора VT1 приводит к закрытию транзистора VT2.

Если в нагрузке произошло короткое замыкание, то ток короткого замыкания протекает по цепи: плюс источника питания, короткозамкнутая нагрузка, резистор R2, переход база-эмиттер транзистора VT1, минус источника. Так как транзистор VT2 в этом случае закрыт, то ток короткого замыкания ограничен резистором R2. После устранения короткого замыкания предохранитель самостоятельно не переходит в нормальное состояние. Для этого необходимо либо на короткое время закоротить между собой выводы базы и эмиттера транзистора VT1, либо отключить и снова подключить нагрузку. В этом случае транзистор VT1 закроется, транзистор VT2 откроется и напряжение будет подано на нагрузку.

На рисунке 6б приведена схема устройства, ограничивающего токи большие номинального. Величина номинального тока определяется сопротивлением резистора R3. При напряжениях на резисторе R3 более 0,5 В начинает открываться транзистор VT2, транзистор VT1 закрывается и ток нагрузки ограничивается. При сопротивлении резистора R3 10 Ом ограничение тока нагрузки происходит при 50 мА. После устранения перегрузки нормальная работа устройства восстанавливается автоматически.

На рисунке 6в приведена схема для защиты потребителей от перенапряжения в низковольтных цепях постоянного тока. Такая защита необходима в учебных лабораториях, чтобы при использовании регулируемых источников постоянного напряжения не вывести электронные устройства за счет превышения номинального питающего напряжения. При увеличении входного напряжения выше номинального пробивается стабилитрон VD2, открывается транзистор VT1, закрывается VT2 и обеспечивается защита нагрузки от перенапряжения.